DE602004001739T2

DE602004001739T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Anwenden von Wirbelstromwandlern in Magnetfeldern

Info

Publication number: DE602004001739T2
Application number: DE602004001739T
Authority: DE
Inventors: Scott Mordin Hoyte; Jeremiah Robert Ferguson
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2024-11-25
Also published as: US20050114052A1; EP1536202A1; US6917896B2; JP2005156565A; DE602004001739D1; EP1536202B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein digitales Impedanzmesssystem, wie es beispielsweise in dem U.S. Patent 5 541 510 beschrieben ist, und insbesondere ein digitales Wirbelstromsystem, das dazu genutzt wird, die Empfindlichkeit eines Wirbelstromwandlers gegenüber einem Magnetfeld auf einem Ziel zu verringern.
Wenigstens einige bekannte Wirbelstromabstandsmesssysteme, welche eine rotierende oder sich hin und her bewegende Maschine analysieren und überwachen, enthält eine Signalkonditionierungsschaltung und einen Abstandsmess- oder Wirbelstromwandler, der in der Nähe eines Zielobjektes positioniert ist, welches eine rotierende Welle einer Maschine oder eine Außenring eines Wälzlagerelement umfassen kann, jedoch nicht darauf beschränkt ist. Der Abstandsmesswandler kann eine berührungslose Vorrichtung sein, welche eine Auslenkungsbewegung und die Position eines beobachteten leitenden Zielmaterials in Bezug auf den Wandler misst. Das Ziel, der Abstandsmesswandler und die Konditionierungsschaltungskomponenten können miteinander so zusammenarbeiten, dass ein Spannungsausgangssignal aus der Schaltung direkt proportional zu einer Distanz (oder einem "Spalt") zwischen dem Wandler und dem Ziel ist.
Die Konditionierungsschaltung misst die elektrische Impedanz (Zp) der elektrischen Kombination des Ziels, des Wandlers einschließlich einer integrierten Erfassungsspule und eines Kabels und die Konditionierungsschaltung. Die Impedanz wird linearisiert und in eine Spannung umgewandelt, die direkt proportional zu dem Spalt ist. Die Impedanz wird bei der spezifischen Frequenz gemessen, die eine Funktion der Konditionierungsschaltung ist. Ein Ziel, das aufgrund eines Restmagnetismus oder aufgrund eines induzierten Magnetismus magnetisiert ist, kann bewirken, dass die gemessene Impedanz ungenau und nicht vorhersagbar ist. Beispielsweise kann während des normalen Betriebs ein Magnetfeld in die Welle einer rotierenden elektrischen Maschine induziert werden. Da jedoch, wenn sich die Welle dreht, das Magnetfeld um den Umfang der Welle in einen Bereich, den der Abstandsmesswandler überwachen mag, ungleichmäßig induziert werden kann, kann die Ungleichmäßigkeit des Magnetfeldes nachteilig den Impedanzwert beieinträgen, was wiederum den ausgegebenen Spaltwert beeinträchtigen kann.
Demzufolge können wenigstens einige bekannte Abstandsmesssysteme eine Kalibrierungsprozedur enthalten, um die Effekte eines gleichmäßigen magnetischen Feldes zu kompensieren. Jedoch sind die die Ziele beeinträchtigenden Magnetfelder oft nicht gleichmäßig, was die Magnetfeldkalibrierungsprozeduren undurchführbar macht.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Messung der Distanz einen Wirbelstromwandler und ein Ziel trennenden eines Spaltes bereitgestellt. Das Verfahren beinhaltet die Ermittlung einer normierten Impedanzkurve für den Wandler, die Ermittlung einer Zeitrate einer Veränderung der normierten Impedanz des Wandlers entlang einer Linie eines konstanten Spaltes und die Korrektur einer scheinbaren Spaltmagnitude unter Verwendung der ermittelten Zeitrate der Veränderung.
Nach einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zum Ermitteln der Distanz eines Spaltes zwischen einem Abstandsmesswandler und einem leitenden Zielmaterial bereit gestellt. Die Vorrichtung enthält einen Abstandsmesswandler und einen Prozessor, der funktionell mit dem Wandler verbunden ist, wobei der Prozessor so konfiguriert ist, dass er eine normierte Impedanzkurve für den Wandler und das Ziel erzeugt, um eine Zeitrate einer Veränderung des Wandlers normiert auf die Impedanz entlang einer Linie eines konstanten Spaltes zu erzeugen und um eine scheinbare Spaltgröße unter Verwendung er ermittelten Zeitrate der Veränderung zu korrigieren.
Nach noch einem weiteren Aspekt wird ein in einem Computer lesbaren Medium verkörpertes Computerprogramm zum Ermitteln der Distanz eines Spaltes geschaffen, der einem Abstandsmesswandler und ein Ziel trennt. Das Programm enthält ein Codesegment, das komplexe Impedanzinformation empfängt und dann eine normierte Impedanzkurve für den Wandler ermittelt, eine Zeitrate einer Veränderung der normierten Impedanz des Wandlers entlang einer Linie eines konstanten Spaltes ermittelt und eine scheinbare Spaltgröße unter Verwendung der ermittelten Zeitrate der Veränderung korrigiert. Die Erfindung wird nun detaillierter im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine schematische Blockdarstellung eines exemplarischen digitalen Wirbelstromsystems ist.
2 ein normiertes Impedanzdiagramm für den in 1 dargestellten Wandler und das Ziel ist.
3 ein Graph einer in 2 dargestellten normierten Impedanzkurve mit einem magnetisierten Ziel ist.
4 ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Messen eines einen Wirbelstromwandler und ein Ziel trennenden Spaltes ist.
1 ist eine schematische Blockdarstellung eines exemplarischen digitalen Wirbelstromsystems 10, das einen mit dem System 10 funktionell verbundenen Wandler 12 enthält. Das System 10 beinhaltet ein Spannungsverhältnisverfahren (VR-Verfahren), das zum digitalen Messen einer elektrischen Impedanz des Wandlers 12 verwendet wird. Der Wandler 12 enthält ein integriertes Sensorelement oder eine Spule 14 und ein mehrpoliges Wandlerkabel 15. Das Sensorelement 14 enthält eine erste elektrische Zuleitung 16 und eine zweite elektrische Zuleitung 18. Das Wandlerkabel 15 enthält einen ersten elektrischen Leiter 22 und einen zweiten elektrischen Leiter 24, die sich zu einem ersten Ende 26 zu einem zweiten Ende des Wandlerkabels 15 erstrecken.
An dem ersten Ende 26 des Kabels sind der erste Leiter 22 und der zweite Leiter 24 jeweils funktionell mit der ersten elektrischen Zuleitung 16 und der zweiten elektrischen Zuleitung 18 des Sensorelementes 14 verbunden. An dem zweiten Ende 28 ist der erste Leiter 22 mit dem zweiten Anschluss 42 eines Widerstandes 40 an einem Knoten 46 verbunden, und der zweite Leiter 24 ist mit einem Masseknoten 48 verbunden, um dadurch eine Leitung der unbekannten dynamischen Wandlerimpedanz Z_unbekannt zu erden.
In der exemplarischen Ausführungsform ist der Wandler 12 mit einer Maschine zum Erfassen von dynamischen Rohdaten verbunden, die mit einer Spaltdistanz 29 korreliert sein können, die zwischen dem Wandler 12 und einem leitenden oder metallischen Ziel 30 definiert ist, wie z.B. einer ro tierenden Welle der Maschine oder einer Außenring eines Wälzlagerelement, die überwacht werden.
Das digitale Wirbelstromsystem 10 enthält einen Widerstand 40 mit einem Widerstandswert R und einem ersten Anschluss 41 und einem zweiten Anschluss 42, welche jeweils zwischen einem ersten Knoten 44 und einem zweiten Knoten 46 angeschlossen sind.
Der Wandler 12 weist eine unbekannte dynamische Wandlerimpedanz mit einem Wert Z_unbekannt ist zwischen dem zweiten Anschluss 42 des Widerstandes 40 am Knoten 46 und an einem Masseknoten 48 angeschlossen. Demzufolge bilden der Widerstand 40 und ein Wandler 12 eine elektrische Reihenschaltung.
Das digitale Wirbelstromsystem 10 enthält auch ein Filter 50, einen Signalgenerator 70, eine Zeitgebersteuerschaltung 80, eine Abtastschaltung 90, eine Faltungsschaltung 100 und einen digitalen Signalprozessor (DSP) 100. Der Signalgenerator 70 ist funktionell mit dem ersten Anschluss 41 des Widerstandes am Knoten 44 über das Filter 50 verbunden, um ein Signal durch den Widerstand 40 und den Wandler 12 zu treiben, um dadurch eine erste Spannung V₁ für den in Reihe geschalteten Widerstand 40 und den Wandler 12 und eine zweite Spannung V₂ nur über dem Wandler 12 einzuprägen. So wie er hierin verwendet wird, bezeichnet der Begriff "Prozessor" auch Mikroprozessoren, zentrale Verarbeitungseinheiten anwendungsspezifische Schaltungen) (ASIC), logische Schaltungen und jede andere Schaltung oder Prozessor, welcher in der Lage ist, ein Überwachungssystem auszuführen, wie es hierin nachstehend beschrieben wird.
In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Signalgenerator 70 funktionell mit dem Widerstand 40 am Knoten 44 über das Filter 50 und mit dem digitalen Signalprozessor (DSP) 110 verbunden, um ein programmierbares dynamisches Signal mit einer oder mehreren Frequenzen durch das Filter 50 und die Reihenschaltung der Kombination aus Widerstand 40/Wandler 12 zu treiben. Insbesondere enthält der Signalgenerator 70 eine direkte Digital-(DDS)-Synthesevorrichtung, die funktionell mit dem ersten Anschluss 41 des Widerstandes über das Filter 50 und eine Puffer-, Verstärkungs- und Offset-Schaltung verbunden ist, um das dynamische Signal oder die Wellenform durch den Widerstand 40 und den Wandler 12 zu treiben.
Dieses dynamische Signal bewirkt, dass die erste Spannung V₁ über der Reihenschaltung des Widerstands 40 und des Wandlers 12 eingeprägt wird und bewirkt, dass die zweite Spannung V₂ nur über den Wandler 12 eingeprägt wird. In der exemplarischen Ausführungsform ist das Wandlersensorelement 14 unmittelbar so an das Ziel 30 angekoppelt, dass dieses dynamische Signal das Sensorelement veranlasst, Wechselmagnetfelder zu erzeugen, die Wirbelströme in dem metallischen Ziel bewirken. Die Wirbelströme induzieren wiederum eine Spannung in dem Sensorelement 14 und somit eine Veränderung in einer Impedanz, welche beispielsweise als eine Funktion von Veränderungen der Spaltdistanz 29 zwischen dem Wandler 12 und dem Ziel 30 variiert. In der exemplarischen Ausführungsform enthält der Signalgenerator 70 mehrere DDS-Vorrichtungen 72, die mit dem ersten Anschluss 41 des Widerstandes über das Filter 50 verbunden sind, und eine Puffer-, Verstärkungs- und Offset-Schaltung 60, um mehrere dynamische Signale bei unterschiedlichen Frequenzen durch den Widerstand 40 und den Wandler 12 zu treiben, und um an schließend eine einen Faltung beinhaltende Verarbeitung auszuführen, um gleichzeitig Impedanzmessungen des Wandlers 12 bei unterschiedlichen Frequenzen auszuführen, welche mit der Spaltdistanz 29 zwischen dem Wandler 12 und dem Ziel 30 korreliert sein können.
Jede DDS-Vorrichtung 72 kann mit dem DSP über eine Schnittstelle 114 verbunden sein, und erzeugt ein reines in der Frequenz/Phase programmierbares dynamisches Signal, wie z.B. ein Sinussignal. Der DSP 110 kann einen Algorithmus enthalten, um sowohl die Frequenz als auch die Phase von Ausgangssignalen zu programmieren, welche wiederum dazu verwendet werden können, um den Wandler 12 mit einem in der Frequenz/Phase programmierbaren dynamischen Signal anlogen Signal Ausgangs-Frequenz/Phase zu betreiben, welche genau unter voller digitaler Steuerung manipuliert werden kann. Daher kann jede DDS-Vorrichtung 72 digital so programmiert werden, dass sie Sinuswellen bei mehreren Frequenzen/Phasen mit Genauigkeit zur Verwendung als Treibersignale oder Referenzsignale ausgibt. In einer Ausführungsform ist die DDS-Vorrichtung 72 ein Bauelement, wie z.B. die Teile-Nr. AD 9850 von Analog Devices, Norwood, MA.
Das Filter 50 ist elektrisch zwischen die DDS-Vorrichtung 72 und den Widerstand 40 zum Filtern der der aus der DDS-Vorrichtung 72 ausgegebenen analogen dynamischen Signale geschaltet. In der exemplarischen Ausführungsform enthält das Filter 50 wenigstens ein Tiefpassfilter 52, das elektrisch zwischen jede DDS-Vorrichtung 72 und dem ersten Anschluss 41 des Widerstandes 40 geschaltet ist, um die ausgegebenen dynamischen Signale oder Wellenformen der DDS-Vorrichtung 72 zu reinigen, um beispielsweise in der DDS-Vorrichtung 72 erzeugte Oberwellen zu beseitigen. Bei spielsweise wird als eine Folge davon, dass die Ausgabeeinrichtungen der DDS-Vorrichtung 72 10-Bit Digital/Analogwandler sind, das Quantifizierungsrauschen durch das Tiefpassfilter ausgefiltert. Daher entfernen die Filter 52 die Schritte und ermöglichen eine Glättung der aus den DDS-Vorrichtungen 72 ausgegebenen analogen dynamischen Signale. Zusätzlich ermöglicht das Filter 52 eine Reduzierung der Rauschbandbreite des Systems 10, um das Signal/Rausch-Verhältnis zu verbessern. In einer Ausführungsform kann das Tiefpassfilter 52 aus elliptischen Filtervorrichtungen mit fünf Polstellen bestehen.
In der exemplarischen Ausführungsform ist die Puffer-, Verstärkungs- und Offsetschaltung 60 elektrisch zwischen das Filter 50 und den Widerstand 40 geschaltet, um die analogen dynamischen Signale zu puffern und zu verstärken, und um jeden gewünschten Offset der analogen dynamischen Signale zu erzeugen. Die Abtastschaltung 90 ist mit dem ersten Knoten 44 zum Abtasten und Digitalisieren der Spannung V₁ verbunden, die über die Kombination des in Reihe geschalteten Widerstandes 40/Wandlers 12 eingeprägt ist. Zusätzlich ist die Abtastschaltung 90 mit dem zweiten Knoten 46 verbunden, um die Spannung V₂ abzutasten und zu digitalisieren, die nur über den Wandler 12 eingeprägt ist. In der exemplarischen Ausführungsform enthält die Abtastschaltung 90 ein Paar von Analog/Digital-Wandlern (ADC) 92 und 94, die mit dem ersten Knoten 44 bzw. zweiten Knoten 46 zum Abtasten und Digitalisieren der ersten dynamischen Spannung V₁ bzw. der zweiten dynamischen Spannung V₂ verbunden sind. In einer Ausführungsform sind die ADCs 92 und 94 breitbandige 14 Bit Wandler, wie z.B. mit der Teile-Nr AD 6644, die von Analog Devices, Norwood, MA erhältlich sind.
Die Zeitgebersteuerschaltung 80 sorgt für eine Synchronisation zwischen dem Ausgangssignal des Signalgenerators 70 und der Abtastrate der Abtastschaltung 90, so dass die Phasenbeziehung zwischen dem Ausgangssignal und den Abtastwerten aufrechterhalten bleibt. Die Zeitgebersteuerschaltung 80 ist funktionell mit jeder DDS-Vorrichtung 72, den ADCs 92 und 94 und mit dem DSP 110 verbunden. Daher werden die DDS-Vorrichtungen 72 durch die Zeitgebersteuerschaltung 80 so getaktet, dass die Frequenz des Ausgangssignals der DDS-Vorrichtung 72 genau festgelegt ist. Zusätzlich stellt die Zeitgebersteuerschaltung 80 eine Synchronisation zwischen dem Ausgangssignal der DDS-Vorrichtung 72 und der Abtastrate der ADCs 92 und 94 so bereit, dass eine Phasenbeziehung zwischen den dynamisch Treibersignal(en) und dem abgetasteten Signal beibehalten bleibt. Demzufolge muss die Abtastung synchron zu den dynamischen Treibersignalen erfolgen.
Die Zeitgebersteuerschaltung enthält einen Quarz-Taktgenerator 84, welcher funktionell mit jeder DDS-Vorrichtung 72 verbunden ist, um ein Taktsignal an jede DDS-Vorrichtung 72 zu liefern.
Die DDS-Vorrichtung 72 und die ADC's 92 und 94 werden ebenfalls von dem Oszillator 84 getaktet, um eine konsistente Phase zwischen dem Signalgenerator 70 und der Abtastschaltung 90 sicherzustellen.
Die Faltungsschaltung 100 kann eine allein stehende Vorrichtung beispielsweise in der Form eines digitalen Abwärtszählers (DDC) sein. In der exemplarischen Ausführungsform ist die Faltungsschaltung 100 zwischen die Abtastschaltung 90 und den DSP 110 zum Ausführen der Faltungsope ration geschaltet. Die anlog/digital-gewandelten Spannungen V₁D und V₂D werden durch die Faltungsschaltung 100 empfangen und gefaltet und dann an den DSP 110 als komplexe Spannungszahlen V₁C und V₂C übertragen. Die Faltungsschaltung 100 kann so programmiert sein, dass sie eine vorbestimmte Frequenz verarbeitet. In einer Ausführungsform ist die Faltungsschaltung 100 ein digitaler Abwärtszähler (DDC), wie z.B. mit der Teile-Nr. HSP 50216, die im Handel von Intersil Corporation, Milpitas, CA erhältlich ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist die digitale Faltungsschaltung 100 mit der digitalen Signalprozessor 110 integriert ausgebildet, wobei der DSP 110 funktionell mit den ADCs 92 und 94 verbunden ist, um die ersten und zweiten digitalisierten Spannungssignale V_1D und V_2D aus den ADCs 92 und 94 zu empfangen und die digitalisierten Spannungen in entsprechende komplexe Spannungszahlen V_1C und V_2C über die integrierte Faltungsschaltung 110 umzuwandeln. Ein DSP 110 mit einer integrierten Faltungsschaltung 100, wie z.B. der 210 XX-Serie von Bauelementen, die von Analog Devices, Norwood, MA erhältlich ist. Der Prozess der Faltung der digitalisierten Spannungen in entsprechende komplexe Spannungszahlen V_1C und V_2C mittels der Faltungsschaltung 100 ist als Phasen- und Quadraturdetektion oder Quadratursynthese definiert. Die berechnete Impedanz kann durch den Prozessor 110 in einen Spannungs- oder Abstandswert umgewandelt werden, der zu dem Spaltabstand 29 zwischen dem Wandler 12 und dem überwachten Ziel korreliert, indem (eine) Gleichung(en), Algorithmen, numerische Verfahren und Nachschlagetabellen verwendet werden, die beispielsweise in einem Speicher 120 gespeichert sind, der mit dem Prozessor 110 verbunden ist. Die Impedanz- oder Spaltwerte können über einen Digital/Analog-Wandler 140 an einem analogen Ausgang 142 ausgegeben.
Ein analoger Ausgang 142 kann beispielsweise Alarme, Relais und Schaltkreisunterbrecher enthalten, die zur Auslösung eingestellt sein können, wenn das analoge Ausgangssignal sich außerhalb eines vorbestimmten nominalen Betriebsbereichs befindet.
Die Impedanz oder Spaltwerte können über eine Kommunikationsverbindung 144 an einen Host-Computer 146 zur weiteren Verarbeitung für den Zweck einer Überwachung rotierender oder sich hin und her bewegender Maschinen verwendet werden. Eine Eingabeeinrichtung 148, wie z.B. jedoch nicht auf darauf beschränkt, eine Tastatur, eine Zeigevorrichtung, eine Sprachbefehlsschaltung und/oder ein berührungsempfindlicher Bildschirm, kann dazu verwendet werden, um Daten einzugeben und Einstellungen des Systems 10 über eine menügesteuerte Schnittstelle einzugeben, welche auf einer Anzeigeeinrichtung 150 betrachtet werden kann. Die Eingabedaten können unmittelbar in Berechnungen verwendet werden, oder können im Speicher 120 für eine spätere Nutzung gespeichert werden. Die Anzeigevorrichtung 150 kann beispielsweise einen CRT- oder LCD-Monitor und/oder Hardcopy-Vorrichtungen enthalten.
Im Betrieb wird ein HF-Signal von der Wandlerspule 14 so ausgesendet, dass ein HF-Feld um die Wandlerspitze herum erzeugt wird. In der exemplarischen Ausführungsform erstreckt sich das HF-Feld über eine Spaltdistanz 29, die größer als etwa 2,54 mm (0,1 inches (100 mils)) ist. Wenn sich das Ziel 30 in dem HF-Feld befindet, fließen Wirbelströme in der Oberfläche des Ziels 30. Eine Eindringtiefe der Wirbelströme hängt von der Leitfähigkeit und Permeabilität des Ziels 30 ab. Beispielsweise ist die Eindringtiefe von E 4140 Stahl angenähert 25,4 μm (0,003 Inches (3 mils)). Wenn sich der Wandler 12 nahe genug an dem Ziel 30 befindet, um das Fließen von Wirbelströmen im Ziel 30 zu bewirken, wird das HF-Signal dahingehend beeinflusst, dass sich die HF-Signalamplitude an einem Minimum befindet, wenn sich eine Spaltdistanz 29 zwischen dem Wandler 12 und dem Ziel 30 an einem Minimum befindet, was zu einem Maximum eines Wirbelstromflusses im Ziel 30 führt. Umgekehrt befindet sich die HF-Signalamplitude an einem Maximum, wenn sich die Spaltdistanz 29 zwischen dem Wandler 12 und dem Ziel 30 an einem Maximum befindet ist, was zu einem minimalen Wirbelstrom im Ziel 30 führt. Zusätzlich nimmt, wenn sich das Ziel 30 langsam innerhalb des HF-Feldes bewegt, die HF-Signalamplitude zu oder fällt langsam ab. Wenn sich das Ziel schnell innerhalb des HF-Feldes bewegt, nimmt die HF-Signalamplitude zu oder fällt rasch ab. Eine oszillatorische Bewegung des Ziels 30 bewirkt eine Modulation des HF-Signals so, als ob das Ziel 30 in Bezug auf den Wandler 12 schwingt.
2 stellt ein normiertes Impedanzdiagramm 160 für den Wandler 12 und das Ziel 30 dar, das mehrere normierte Impedanzkurven 162 enthält. In der exemplarischen Ausführungsform wird das Diagramm 160 erzeugt, indem die Impedanz des Wandlers 12 bei unterschiedlichen Anregungsfrequenzen und bei unterschiedlichen Spaltdistanzwerten von dem Ziel 30 gemessen wird. In einer Ausführungsform ist das Ziel 30 aus Stahl E 4140 hergestellt. Mehrere Linien 182 bis 197, die von dem bei 0,0, 1,0 in dem Diagramm 160 befindlichen Ursprung 164 ausgehen, sind Spaltlinien. Sie repräsentieren die durch das Ziels 30 bedingte normierte Impedanz bei einer konstanten Frequenz und einem variierenden Spaltdistanzwert, der von einer nahen Spaltposition, dargestellt durch die ganz rechten Enden der Linien bis einer entfern ten Spaltposition, dargestellt durch den Ursprung 164 verändert wird. Diese Linien drehen sich im Uhrzeigersinn entlang eines Pfeils F, wenn die Frequenz erhöht wird. Mehrere Bögen 200 bis 208 stellen die Impedanz des Wandlers 12 dar, wenn sich der Wandler 12 bei einem festen Spaltdistanzwert von dem Ziel 30 befindet, wenn die Erregungsfrequenz verändert wird.
Im Betrieb kann der Graph 160 ermittelt werden durch:

1. Messen einer Impedanz des groβen Spaltes des Wand- lers 12, wobei die Impedanz des groβen Spaltes = R₀ +jωL₀ ist.
2. Messen einer Impedanz des Wandlers 12 in der Nähe des Ziels 30, wobei die Impedanz des kleinen Spaltes = R + jωL ist.
3. Ermitteln einer normierten Impedanz, welche aus ei- nem normierten Widerstandsterm und einem normierten Reak- tanzterm wie folgt besteht: Normierter Widerstand = (R – R0)/ωL0 und Normierte Reaktanz = ωL/ωL0.
4. Auftragen jedes Punktes auf dem Diagramm 160 und Verbinden der bei derselben Frequenz gesammelten Punkte.
5. Verbinden der bei demselben Spaltdistanzwert gesam- melten Punkte, um dadurch einen Graphen gemäss Darstellung in 2 zu erhalten.

Jedes Zielmaterial hat ein eindeutiges charakteristisches normiertes Impedanzdiagramm. Die Kurven jedes Diagramms werden durch die Eigenschaften des Ziels beeinflusst und es wurde beobachtet, dass die Kurven im Uhrzeigersinn rotieren, wenn die Leitfähigkeit und Permeabilität des Ziels zunimmt. Es wurde ferner beobachtet, dass eine größere reaktive Veränderung mit der Spaltdistanz als eine resistive Veränderung auftritt, wenn die Leitfähigkeit und Permeabilität des Ziels zunehmen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren zum Ermitteln eines normierten Impedanzdiagramms kann auch dazu verwendet werden, die Impedanz eines großen und kleinen Spaltes des Wandlers in Kombination mit einem Verlängerungskabel zu messen, um so ein normiertes Impedanzdiagramm der Wandler/Verlängerungs-Kabel-Kombination zu erhalten.
Zusätzlich können eine oder mehrere normierte Impedanzkurven erzeugt werden, indem ein Wandler genommen wird und dessen Impedanz bei unterschiedlichen Frequenzen und unterschiedlichen Spaltdistanzwerten mit unterschiedlichen Zielmaterialien gemessen wird und diese Information beispielsweise im Speicher 120 gespeichert wird.
3 ist ein Graph 300 einer exemplarischen normierten Impedanzkurve 302 für den Wandler 12 und ein (in 1 dargestelltes) magnetisiertes Ziel 30. In der exemplarischen Ausführungsform besteht das Ziel 30 aus Stahl E 4140. Der Graph 300 enthält eine X-Achse 304, die einen normierten Widerstand des Wandlers 12 darstellt. Die Y-Achse 306 stellt die normierte Reaktanz des Wandlers 12 dar. Der Graph 300 besteht aus einer Vielzahl aufgetragener Punkte, die zusammen die normierte Impedanzkurve 302 bilden, und die jeweils die Impedanz des Wandlers 12 bei einer vorbestimmten Frequenz an mehreren Spaltdistanzen 29 zwischen dem Wandler 12 und dem Ziel 30 darstellen. Ein Kleinspaltende 308 der Kurve 302 enthält Punkte, die die Impedanz des Wandlers 12 darstellen, wenn das Ziel 30 in unmittelbarer Nähe zu dem Wandler 12 positioniert ist. Ein Großspaltende 310 der Kurve 302 enthält Punkte, die die Impedanz des Wandlers 12 darstellen, wenn sich das Ziel 30 bei einer relativ großen Spaltdistanz 29 von dem Ziel 30 befindet. Die Kurve 302 repräsentiert normierte Impedanzpunkte für den Zustand, in welchem der Wandler 12 und das Ziel 30 nicht durch ein externes Magnetfeld beeinflusst werden. Wenn das Ziel 30 nicht magnetisiert ist, können Magnetfelder der Kristallstruktur des Ziels 30 zufällig ausgerichtet sein, was kein Nettomagnetfeld ergibt. Wenn das Ziel 30 innerhalb eines externen Magnetfeldes positioniert ist, richten sich die einzelnen Kristallmagnetfelder zu den Flusslinien des externen Magnetfeldes aus. Wenn das externe Magnetfeld entfernt wird, kann das Ziel 30 aufgrund von magnetischen Momenten der einzelnen Kristalle ausgerichtet bleiben, was ein Nettomagnetfeld in dem Ziel 30 ergibt. Die Magnetisierung des Ziels 30 kann die Impedanz des Wandlers 12 in einer Beziehung beeinflussen, die nicht notwendigerweise zu einer Spaltdistanz 29 in Beziehung steht, sondern zur Magnetisierungsstärke und Orientierung des Ziels 30 zusätzlich der Spaltdistanz 29. Eine derartige Beziehung kann durch eine Verschiebung oder eine Verlagerung der Kurve 302 dargestellt sein.
Die Magnetisierung des Ziels 30 folgt einer Magnetisierungskurve oder BH-Kurve. Wenn beispielsweise das Ziel 30 aufgrund eines magnetischen Wechselfeldes von 60 Hertz mag netisiert ist, kann die Magnetisierung des Ziels 30 um die BH-Kurve 60 Mal pro Sekunde verfolgt werden. Die Permeabilität des Ziels 30 folgt einer Tangente der BH-Kurve. Daher nimmt, wenn das Ziel 30 stärker magnetisiert wird, die Permeabilität des Ziels 30 ab. Diese Abnahme in der Permeabilität des Ziels 30 erscheint als eine Verschiebung in der normierten Impedanzkurve 300. Beispielsweise kann eine erste Linie eines konstanten Spaltes 312 dem Graphen 300 überlagert sein. Wenn ein Wandler 12 in einem konstanten Abstand vom Ziel gehalten wird und das Magnetfeld des Ziels 30 variiert wird, kann die normierte Impedanz des Wandlers 12 an Punkten aufgetragen werden, die eine angehobene Linie 30 entlang der Linie 312 definieren. Zusätzlich kann die Zeitrate einer Veränderung der Position eines Punktes entlang der Linie 312 mit der Stärke und der Zeitrate der Veränderung des Zielmagnetfeldes korreliert werden.
Eine zweite Linie eines konstanten Spaltes 316 repräsentiert die Impedanzwerte, wenn der Wandler 12 bei einem zweiten konstanten Spalt von dem Ziel 30 gehalten wird und das Magnetfeld des Ziels 30 variiert wird, wobei die normierte Impedanz des Wandlers 12 als Punkte aufgetragen werden kann, die eine angehobene Linie 316 entlang der Linie 318 definieren. Die angehobenen Linien 314 und 318 für das Ziel 30 können vielen Faktoren zugeordnet sein. Der Spalt, die Erregungsfrequenz des Wandlers 12 und der mittlere oder effektive Radius des Wandlers 12 sind bekannte Faktoren, die in Bezug auf den Wandler 12 steuerbar sind. Faktoren, die in keiner Beziehung zu dem Wandlers 12 stehen, umfassen die Zielleitfähigkeit und Permeabilität, welche die normierte Frequenz beeinflussen. Somit kann eine Veränderung in der Zielleitfähigkeit und/oder Permeabilität den normierten Impedanzgraphen 300 in ähnlicher Weise wie eine Verschiebung in der Betriebsfrequenz des Wandlers 12 den normierten Impedanzgraphen 300 beeinflussen. Die relative Orientierung zwischen einem Ziel 30 und Wandler 12 kann ebenfalls die Darstellung der angehobenen Linien 314 oder 318 beeinflussen.
4 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 400 zum Messen eines Spaltes, der einen Wirbelstromwandler 12 und ein Ziel 30 trennt. Das Verfahren 400 beinhaltet die Ermittlung 402 einer normierten Impedanzkurve für den Wandler. In der exemplarischen Ausführungsform wird die normierte Impedanzkurve in Echtzeit ermittelt. So wie sie hierin verwendet wird, bezieht sich Echtzeit auf Ergebnisse, die im Wesentlichen nach einer kurzen Dauer nach einer Veränderung in den Eingangsgröße erscheinen, die die Ergebnisse beeinflussen. Die Dauer kann der Zeitbetrag zwischen jeder Wiederholung einer regelmäßig wiederholten Aufgabe sein. Derartige wiederholte Aufgaben werden als periodische Aufgaben bezeichnet. Die Zeitperiode ist ein Auslegungsparameter des Echtzeitsystems, der auf der Basis der Wichtigkeit des Ergebnisses und/oder der Fähigkeit des Systems, das die Verarbeitung der Eingangsgrößen implementiert, um das Ergebnis zu erzeugen, ausgewählt werden kann oder der eine in den Komponenten, die dieses System bilden, inhärente Verzögerung ist. In einer alternativen Ausführungsform ist die normierte Impedanzkurve vorbestimmt, wie z.B. durch eine Kalibrierungsprozedur und in einem Speicher des Systems 10 gespeichert. 404 – Es wird eine Zeitrate der Veränderung der normierten Impedanz des Wandlers entlang einer Linie eines konstanten Spaltes ermittelt. Sobald das Ziel durch ein externes Magnetfeld beeinflusst wird, wie z.B. ein in eine rotierende Welle eines Motors oder Generators induziertes Feld, kann sich die Impedanz des Wandlers als eine Funktion der Stärke des Magnetfeldes und/oder der Zeitrate der Veränderung des magnetischen Feldes ändern. Die Veränderung in der Impedanz kann als eine Veränderung in dem den Wandler und das Ziel trennenden Spalt erscheinen, obwohl keine Veränderung in dem Spalt aufgetreten ist. Um eine Verringerung der Ungenauigkeit eines Systems 10 während des Betriebs zu ermöglichen, kann der scheinbare Spalt unter Verwendung der ermittelten Zeitrate der Veränderung der Wandlerimpedanz entlang einer Linie eines konstanten Spaltes auf der normierten Impedanzkurve korrigiert werden. Die Distanz, in der sich die Wandlerimpedanz von der normierten Impedanzkurve entlang einer Linie eines konstanten Spaltes entfernt bewegt, kann ebenfalls verwendet werden, um – 406 – den scheinbaren Spalt zu korrigieren.
Die vorstehend beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen stellen eine kosteneffektive und zuverlässige Einrichtung zum genauen Messen eines Spaltes bei Vorhandensein externer Magnetfelder bereit. Insbesondere ermöglichen die Verfahren und Vorrichtungen die Verwendung eines Wirbelstromwandlers, um die Nähe und/oder Schwingung eines Ziels in Bezug auf den Wandler zu messen, wenn das Ziel durch ein Magnetfeld beeinflusst wird. Demzufolge ermöglichen die hierin vor beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen ein Überwachungsgerät in einer kosteneffektiven und zuverlässigen Weise.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Messung eines Spaltes und/oder Schwingung zwischen einem Wirbelstromwandler und einem Ziel beschrieben wurde, können zahlreiche weitere Anwendungen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise wird es in Betracht gezogen, dass die vorliegende Erfindung auf jedes System angewendet wer den kann, in welchem eine Vorrichtung durch ein wechselndes und/oder stationäres magnetisches Feld beeinflusst wird, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, bei Prozesssystemmess und Instrumentierungssystemen.
Exemplarische Ausführungsformen von Wirbelstromimpedanzmesssystemen wurden vorstehend im Detail beschrieben. Die Systeme sind nicht auf die hierin beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern es können stattdessen Komponenten jedes Systems unabhängig und getrennt von anderen hierin beschriebenen Komponenten verwendet werden. Jede Systemkomponente kann auch in Kombinationen mit anderen Systemkomponenten verwendet werden. Der Schutzumfang der Erfindung ist durch die beigefügten Ansprüche definiert.

Claims

Verfahren zum Messen der Distanz eines einen Wirbelstromwandler und ein Ziel (400) trennenden Spaltes, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Ermitteln (402) einer normierten Impedanzkurve für den Wandler; Ermitteln (404) einer Zeitrate einer Änderung der normierten Impedanz des Wandlers entlang einer Linie eines konstanten Spaltes; und Korrigieren (406) einer scheinbaren Spaltmagnitude unter Verwendung der ermittelten Zeitrate einer Änderung.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei das Ermitteln einer normierten Impedanzkurve die Schritte aufweist: Berechnen eines komplexen elektrischen Impedanzwertes des Wirbelstromwandlers bei mehreren Spaltdistanzwerten; und Normieren des komplexen elektrischen Impedanzwertes.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung einer normierten Impedanzkurve den Schritt der Ermittlung einer normierten Impedanzkurve in Echtzeit aufweist.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung einer Zeitrate einer Änderung den Schritt der Ermittlung einer Zeitrate einer Änderung aufgrund eines Magnetfeldes des Ziels aufweist.
Verfahren (400) nach Anspruch 1, wobei die Korrektur eines scheinbaren Spaltes den Schritt der Korrektur des scheinbaren Spaltes aufweist, um eine Reduzierung eines Beitrags zu dem scheinbaren Spaltes durch ein Magnetfeld des Ziels zu ermöglichen.
Vorrichtung (10) zum Ermitteln der Distanz eines Spaltes (29) zwischen einem Wirbelstromwandler und einem leitenden Zielmaterial (30), wobei die Vorrichtung aufweist: einen Wirbelstromwandler (12); und einen Prozessor (110), der funktionell mit dem Wandler gekoppelt ist, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist: eine normierte Impedanzkurve für den Wandler und das Ziel zu erzeugen; eine Zeitrate einer Äderung der normierten Impedanz des Wandlers entlang einer Linie eines konstanten Spaltes zu ermitteln; und eine scheinbare Spaltmagnitude unter Verwendung einer ermittelten Zeitrate einer Änderung zu korrigieren.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, ferner aufweisend: einen Signalgenerator (70), der funktionell mit dem Wirbelstromwandler (12) verbunden und dafür konfiguriert ist, einen Strom durch den Wirbelstromwandler zu treiben; eine Abtastschaltung (90), die zum Abtasten und Digitalisieren einer über dem Wirbelstromwandler eingeprägten Spannung konfiguriert ist; und einen Faltungs-Schaltkreis (100) zum Falten der digitalisierten Spannung mit einer digitalen Wellenform zum Erzeugen einer komplexen Zahl, die mit der über dem Wirbelstromwandler eingeprägten analogen Spannung korreliert, wobei der Prozessor dafür konfiguriert ist, die komplexe Zahl in einen Spaltdistanzwert zu verarbeiten, der mit einer Spaltdistanz zwischen dem Wirbelstromwandler und dem leitenden Zielmaterial korreliert.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der Prozessor (110) dafür konfiguriert ist, die Wirbelstromwandlerimpedanz und eine gemessene Frequenz des den Wirbelstromwandler betreibenden Stromes zu verarbeiten, um eine normierte Impedanzkurve zu erzeugen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei der Signalgenerator (70) dafür eingerichtet ist, die Frequenz des den Wirbelstromwandler betreibenden Stromes anzupassen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 7, ferner mit einer Ausgangsschaltung, die dafür konfiguriert ist, ein Signal als eine Funktion des Spaltdistanzwertes auszugeben, welcher mit der Spaltdistanz zwischen dem Wirbelstromwandler und dem leitenden Zielmaterial korreliert.